隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展,超低功耗的智能傳感器數(shù)量急劇增加,要求傳感節(jié)點(diǎn)的供電系統(tǒng)具有自供電、免維護(hù)、低成本、小巧輕便的特點(diǎn)。能夠采集周圍微弱環(huán)境能量并將其有效地轉(zhuǎn)換為電能的自供電系統(tǒng),未來將取代電池,成為無線傳感節(jié)點(diǎn)的最重要供電方式之一。由于壓電材料可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,且具有體積小和能量密度大的特點(diǎn),壓電能量采集器被廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境能量采集系統(tǒng)中。本文致力于面向無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的壓電能量采集自供電系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn),重點(diǎn)研究針對激勵頻度低且不規(guī)則的周圍環(huán)境壓電能量的高效采集和轉(zhuǎn)換技術(shù),主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下。1、主要研究工作(1)非連續(xù)隨機(jī)壓電能量采集技術(shù)針對非連續(xù)隨機(jī)壓電能量的特點(diǎn),提出并設(shè)計了具有休眠模式的低功耗壓電能量采集電路,以提高采集效率。為了提高車輛通過道路減速帶時的壓電能量轉(zhuǎn)換效率,提出了一種基于懸臂梁的沖擊式壓電能量采集器結(jié)構(gòu)。基于以上研究成果,設(shè)計實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于道路減速帶的車輛壓電能量采集自供電系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)原型系統(tǒng)的測試結(jié)果表明,當(dāng)一輛車輛以5~20公里/小時的車速通過減速帶時,采集器的平均輸出電能是30.0 mJ,采集電路的平均采集效率約為74.0%,可以為溫度傳感器提供37分鐘的穩(wěn)定供電電壓。(2)連續(xù)沖擊壓電能量采集技術(shù)針對連續(xù)沖擊壓電能量的特點(diǎn),在采集電路的設(shè)計中,提出了一種由電阻和電容等無源器件組成的快速自啟動電路,以實(shí)現(xiàn)采集電路的自供電和冷啟動。提出了分段式動態(tài)阻抗匹配技術(shù),以提高采集效率�；谝陨涎芯砍晒�,設(shè)計實(shí)現(xiàn)了微風(fēng)沖擊壓電能量采集自供電系統(tǒng),考慮到風(fēng)速大小的不同,分別設(shè)計了應(yīng)用于風(fēng)速較快和較慢區(qū)域的采用固定阻抗匹配和分段式動態(tài)阻抗匹配技術(shù)的采集電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在風(fēng)速為2.0m/s時,采用分段式動態(tài)阻抗匹配技術(shù)的微風(fēng)沖擊壓電能量采集系統(tǒng)的整體效率為4.6%,在風(fēng)速大于1.5m/s時,本系統(tǒng)可為商用溫度傳感節(jié)點(diǎn)提供持續(xù)穩(wěn)定的供電電源。(3)數(shù)字控制高頻DC-DC開關(guān)變換器研究與設(shè)計電源管理電路的功能是將壓電能量采集電路的輸出轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)為無線傳感節(jié)點(diǎn)所要求的穩(wěn)定供電電壓,要求電源管理電路具有數(shù)字可編程控制、系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)速度快以及小巧輕便的特點(diǎn)。為此,本文研究和設(shè)計實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制高頻DC-DC開關(guān)變換器。針對數(shù)字控制DC-DC開關(guān)變換器在高頻應(yīng)用時數(shù)字控制器的設(shè)計難點(diǎn),提出了基于δ算子的數(shù)字控制器設(shè)計方法。為了提高數(shù)字控制DC-DC開關(guān)變換器的瞬態(tài)響應(yīng)速度,提出了基于鄰周期采樣(ACS:Adjacent Cycle Sampling)策略的數(shù)字V~2控制算法。基于上述理論研究成果,設(shè)計實(shí)現(xiàn)了開關(guān)頻率為2MHz的Buck型DC-DC開關(guān)變換器系統(tǒng),在數(shù)字雙環(huán)控制器的設(shè)計中,外環(huán)采用基于δ算子的D-PID控制算法,內(nèi)環(huán)采用基于鄰周期采樣策略的數(shù)字V~2控制算法。實(shí)測結(jié)果表明,當(dāng)發(fā)生30%的負(fù)載擾動時,DC-DC開關(guān)變換器的超調(diào)量為75 mV,恢復(fù)時間為3μs。2、主要創(chuàng)新點(diǎn)(1)提出了一種具有休眠模式的低功耗壓電能量采集電路�？紤]到非連續(xù)隨機(jī)壓電能量的特征,提出了具有休眠模式的低功耗壓電能量采集電路,當(dāng)壓電能量采集器產(chǎn)生電能時,采集電路與壓電能量采集器的阻抗相匹配,以實(shí)現(xiàn)最大能量的采集和傳輸,而當(dāng)沒有電能產(chǎn)生時,采集電路進(jìn)入休眠模式,以節(jié)約電能。與無休眠模式相比,有休眠模式時壓電能量采集電路的效率提高了18.6%。(2)提出了一種快速自啟動電路。為了實(shí)現(xiàn)能量采集電路的自供電和冷啟動,提出了一種由電阻和電容等無源器件組成的快速自啟動電路。該啟動電路能夠獲取輸入端的電能為整體采集電路提供供電電源,因此無需外部供電,即使儲能設(shè)備的電能被完全耗盡,當(dāng)有外部輸入能量時也能迅速啟動。(3)針對沖擊壓電能量采集器,提出了分段式動態(tài)阻抗匹配技術(shù)。針對激勵頻度較低的沖擊壓電能量采集器,提出了分段式動態(tài)阻抗匹配技術(shù),以提高能量采集效率。該技術(shù)首先檢測壓電能量采集器的沖擊周期和振動周期,然后通過改變采集電路的輸入阻抗,使其分別與壓電能量采集器在沖擊周期和振動周期的輸出阻抗相匹配,以實(shí)現(xiàn)最大能量的采集和傳輸,尤其在外界輸入能量較低的情況下(例如風(fēng)速較慢的微風(fēng)能量),可有效地提高能量采集效率。與采用固定阻抗匹配技術(shù)相比,采用分段式動態(tài)阻抗匹配技術(shù)時,能量采集電路的效率最大可提高9.8%。(4)針對數(shù)字控制高頻DC-DC開關(guān)變換器,提出了基于δ算子的數(shù)字控制器設(shè)計方法。對于數(shù)字控制高頻DC-DC開關(guān)變換器,利用位移算子(z~(-1))設(shè)計數(shù)字控制器時,存在離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的擬合精度低、系統(tǒng)穩(wěn)定性差以及有限字長的影響大等問題。為此,本文提出了基于δ算子的數(shù)字控制器設(shè)計方法,采用δ算子設(shè)計實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制器,具有系統(tǒng)穩(wěn)定性好、控制精度高以及對有限字長不敏感的優(yōu)點(diǎn)。(5)針對數(shù)字控制高頻DC-DC開關(guān)變換器,提出了基于鄰周期采樣策略的數(shù)字V~2雙環(huán)控制算法。在數(shù)字V~2雙環(huán)控制算法中,數(shù)字控制器的內(nèi)環(huán)基于輸出電壓的紋波控制,外環(huán)基于輸出電壓誤差的D-PID控制。與現(xiàn)有的電壓/電流雙環(huán)控制算法相比,數(shù)字V~2雙環(huán)控制算法具有系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)速度快和無需采集電感電流的優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明,與數(shù)字電壓/電流雙環(huán)控制算法相比,當(dāng)發(fā)生3倍的負(fù)載擾動時,數(shù)字V~2雙環(huán)控制算法的系統(tǒng)恢復(fù)時間加快了3倍�；谔岢龅膲弘娔芰坎杉夹g(shù),針對采集道路減速帶上的機(jī)械能和自然界的微風(fēng)環(huán)境能量,本文設(shè)計實(shí)現(xiàn)了專用的壓電能量采集自供電系統(tǒng)以及電源管理系統(tǒng),可為無線傳感網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定的自供電電源。本文的研究成果對研發(fā)微弱環(huán)境壓電能量采集自供電系統(tǒng)以及數(shù)字控制電源管理系統(tǒng)具有重要的理論意義和實(shí)用價值。
【學(xué)位單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP212.9;TN929.5
【部分圖文】：

供有效的數(shù)據(jù)支撐。另外，宇宙射線的監(jiān)測數(shù)據(jù)也可用于霧霾監(jiān)預(yù)報等。圖 1-3 所示為用于宇宙射線以及大氣物理參數(shù)監(jiān)測的無線用宇宙射線檢測大氣層溫度分布的精度，需要在全球范圍內(nèi)的不傳感節(jié)點(diǎn)[13]。

圖 1-3 用于宇宙射線以及大氣物理參數(shù)監(jiān)測的無線傳感網(wǎng)絡(luò)（2）野生動物監(jiān)測和跟蹤為了對野生動物（例如北極的企鵝和大草原的獅子等）的行為和生活環(huán)境進(jìn)行研究，

WSN 可用于野生動物的活動和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測。如圖 1-4 所示，野生隨身攜帶的無線傳感節(jié)點(diǎn)（粉色圈中標(biāo)出了無線傳感節(jié)點(diǎn)位置），可以感知野生動生理數(shù)據(jù)（例如脈搏、血壓、體溫等）、所處的地理位置（GPS 定位信息）和外部環(huán)境數(shù)據(jù)，然后通過 WSN 進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和處理，以供生物學(xué)家研究分析使用

本文編號：2834750